CN106997059A - 一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡 - Google Patents

一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于海洋地震拖缆勘探系统的高速数据传输通用接口卡，包括FMC子板和FMC载板。FMC子板包括SFP+接口、FMC接口，FMC载板包括FPGA、DDR3存储器、电源模块、FPGA配置电路、PCIe接口和SFP+接口，其中FPGA实现整个数据传输流程的控制以及数据处理等功能，内部包括数据处理模块、DDR3控制器、DMA控制器和PCIe核。本发明满足了大容量地震数据对高速稳定传输的需求。

Description

一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接 口卡
技术领域
本发明涉及一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，属于海洋地震勘探领域。
背景技术
海洋地震勘探拖缆系统是一种应用于海洋资源勘探领域的重要设备，该系统通过人工作业激发地震波信号，然后由拖缆传感器采集水底反射的地震波数据，随后将各缆道数据进行集中分析和处理，从而解析出实际的地质构造和油藏分布情况。
在之前的海洋地震拖缆勘探系统中，数据传输的流程是水下拖缆的数字包采集到地震数据后经过传输线集中到传输包，再由传输包将数据传输到室内系统的数据采集处理机，即CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)机箱进行汇总，最终通过千兆以太网将数据传输到船上工作站进行数据记录。随着海洋地震拖缆勘探系统不断更新升级的技术需求，采样精度提高，采集数据量增加，原系统采用的千兆以太网传输模式已经不能满足大容量地震数据对高速传输的要求。
为了解决海洋地震拖缆系统的大容量地震数据高速传输的问题，需要对原系统的进行改进，采用一种新的高速数据传输通用接口卡代替原来的传输方式。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现海洋地震勘探系统的缺点，提供一种海洋拖缆系统高速数据传输通用接口装置，满足了大容量地震数据对高速稳定传输的需求。
本发明技术解决方案：一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，包括FMC(FPGA Mezzanine Card)子板和FMC载板两个部分。
本发明设计一块位于工作站上的PCIe(Peripheral Component InterconnectExpress)高速接口卡，替代原来的CPCI机箱加FCI板的传输模式，为海洋地震拖缆系统的高速数据传输提供技术支持。
为了提高系统通用性，接口卡设计采用FMC标准，分为FMC子板和载板两个部分。
FMC子板包括SFP+(Small Form-factor Pluggables)接口、FMC接口，FMC载板部分包括DDR3(Double Data Rate)存储器，FPGA(Field-Programmable Gate Array)配置电路，FPGA，PCIe接口，电源模块，SFP+接口等几个部分；其中FPGA实现整个数据传输流程的控制以及数据处理等功能，内部包括数据处理模块、DDR3控制器、DMA(Direct Memory Access)控制器和PCIe核；
SFP+接口，光纤模块接口，接收拖缆系统上行光纤传输的数据；
FMC接口，连接FMC子板和FMC载板两个部分，将接收的拖缆数据传输到载板FPGA；
DDR3存储器，高读写速度的大容量存储器，缓存处理过的地震数据；
FPGA配置电路，用于系统上电时，加载FPGA配置数据；
FPGA，与其他功能模块之间进行交互，控制整个数据传输流程，对拖缆数据进行初步处理；
PCIe接口，PCIe总线的物理接口，与工作站相连，进行数据传输；
电源模块，为整个PCIe高速接口卡的FPGA、DDR3存储器、FPGA配置电路、FMC子板等几个功能模块提供电压，保证整个系统稳定工作；
SFP+接口，作为载板上的预留的光纤模块接口，可以用于拖缆数量较少情况下的数据传输。
数据处理模块，对接收到的拖缆数据按照8/sec的比例进行抽取，然后完成时序转道序等操作；
DDR3控制器，控制DDR3存储器缓存地震数据，并且与DMA控制器之间进行交互；
DMA控制器，在无需工作站CPU参与的情况下进行大容量数据交换，将载板上DDR3存储器中的缓存数据转移到工作站内存；
PCIe核，支持PCIe传输协议，实现从PCIe高速接口卡到工作站的数据包的发送和接收流程。
水下拖缆中的数字包采集到实时数据，拖缆的上行光纤部分直接与PCIe高速接口卡的FMC子板上的SFP+接口相连；
FMC子板上的SFP+光纤模块接口为接收端，接收到拖缆数据后，将光信号转化为电信号，FMC接口将子板的I/0接口与FPGA上的引脚直接连接在一起，接收到的拖缆数据会直接传输至载板FPGA上；
FPGA内部的数据处理模块按照8/sec的比例抽取实时显示数据，获得地震数据和关于拖缆状态的数据，并且对地震数据进行时序转道序的操作，得出地震数据存储地址；
FPGA内部逻辑控制发送命令到DDR3控制器，对DDR3存储器进行读写操作，将处理后的地震数据按照道序地址存储至其中，这个过程不需要进行数据交换，不同接口传输来的数据，会分别存到DDR3存储器内部的独立存储空间；
随后DMA控制器向工作站CPU发送命令，发起大容量数据传输请求，PCIe核根据PCIe总线传输协议对数据流进行打包传送，通过PCIe接口将数据传输至工作站上的存储内存中。
海洋地震勘探拖缆系统最直接的需求是大数据量的传输，最后传输到工作站上的总数据量为多条缆集成后的数据量。按照单条拖缆总长度为15km，每一段工作段上放置16个通道，每两个通道之间道间距6.25m，使用精度为24bit的ADC，最高采样率0.5ms的系统设计参数，头包传输节点处要求的最小有效数据传输速率是150*16*24*1000/0.5≈115Mb/s。再考虑协议损耗，系统按照150％冗余设计，拖缆数量按8计算，采样周期内接收的拖缆实时数据传输速率至少为1384Mb/s。
整个海洋勘探系统PCIe高速接口卡使用PCIe2.0X8接口与工作站之间进行通讯，采用8bit/10bit编码方式，支持的最高数据传输速率为4GB/s，远大于这个数值，可以满足实际工作中的拖缆系统的数据传输需求。
采用了FMC标准，应用到其他拖缆系统的时候，能够根据实际需求的接口数目和类型来更换FMC子板。
采用SFP+接口作为光纤接收模块，最高可支持10Gb/s的数据传输速率。
所述FPGA采用Xilinx的Kintex-7系列，性能好，性价比高，逻辑资源丰富。
对FPGA内部的逻辑代码进行适当编辑可以实现数据流的双向传输。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供了一种可靠的高速数据流传输机制，解决了旧系统数据传输速率太慢，缺乏可扩展性的缺点，相比之前的海洋地震勘探拖缆系统，本发明提供了高达4GB/s的传输速率，可以满足高达1384Mb/s的大容量地震数据流对传输速率的要求。
(2)本发明替代了原海洋地震拖缆系统里面的CPCI机箱加FCI板卡的传输结构，简化了系统结构，极大的提高了整个拖缆系统的集成度和通用性，降低了成本。
(3)本发明接口卡采用FMC标准，具有灵活性和通用性，只需要更换搭载了不同接口或者功能的FMC子板，便可以实现不同功能，同时也可以作为不同系统间的数据传输通道。
(4)载板设计以FPGA为基础，将众多控制器集成在FPGA内，减少元器件的使用，满足海洋地震拖缆系统设计对低功耗的需求。FPGA在传输数据的过程中完成了初步的处理工作，简化了工作站的数据处理流程。
(5)本发明为以后类似的地球物理勘探领域的地震拖缆系统需求提供了一套标准简洁的高速率数据传输通用解决方案，市场潜力大，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明的数据传输流程图。
具体实施方式
以下部分将结合附图以及具体的工作流程来进一步说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明的组成框图，PCIe高速接口卡主要包括FMC子板和FMC载板两个部分，其中：
FMC子板部分，用于接收来自拖缆的上行光纤部分传输的数据，以及向水下拖缆部分发送系统控制命令，由SFP+接口和FMC接口两个部分组成。
SFP+接口，光纤模块接口，接收拖缆系统上行光纤传输的数据；
FMC接口，连接FMC子板和FMC载板两个部分，将接收的拖缆数据传输到载板FPGA。
FMC载板部分，用于接收FMC子卡传输的拖缆数据，并且进行处理缓存等操作，随后发送到工作站，以及向下发送系统控制命令。
载板上使用Xilinx的Kintex-7系列的FPGA，具有高性能高性价比等特点，可以满足系统的功能需求。由于海洋地震拖缆系统需求在短时间内传输大量数据，并且传输到板上的数据流码率并非一成不变。为了能稳定的将数据通过PCIe总线传输至工作站，板上需要一定的缓存空间。而FPGA的内部缓存太小，不能满足需求，因此采用DDR3存储器来缓存数据。
电源模块用于给整个PCIe接口卡提供电压，保证接口卡能够稳定工作。此外载板上还预留了一个额外的SFP+接口，在缆数较少的情况下，可以不需要搭载子卡，直接使用该接口传输拖缆数据。
载板与工作站之间采用的接口为PCIe2.0X8，该版本的PCIe规范采用8bit/10bit编码方式，支持的最高数据传输速率可达到4GB/s。
如2图所示，FMC载板部分由DDR3存储器，FPGA配置电路，FPGA，PCIe接口，电源模块，SFP+接口等几个部分组成。
DDR3存储器，高读写速度的大容量存储器，缓存处理过的地震数据；
FPGA配置电路，用于系统上电时，加载FPGA配置数据；
FPGA，与其他功能模块之间进行交互，控制整个数据传输流程，对拖缆数据进行初步处理；
PCIe接口，PCIe总线的物理接口，与工作站相连，进行数据传输；
电源模块，为整个PCIe高速接口卡的FPGA、DDR3存储器、FPGA配置电路、FMC子板等几个功能模块提供电压，保证整个系统稳定工作；
SFP+接口，作为载板上的预留的光纤模块接口，可以用于拖缆数量较少情况下的数据传输。
FPGA内部主要分为数据处理模块，DDR3控制器，DMA控制器，PCIe核这几个模块。
数据处理模块，对接收到的拖缆数据按照8/sec的比例进行抽取，然后完成时序转道序等操作；
DDR3控制器，控制DDR3存储器缓存地震数据，并且与DMA控制器之间进行交互；
DMA控制器，在无需工作站CPU参与的情况下进行大容量数据交换，将载板上DDR3存储器中的缓存数据转移到工作站内存；
PCIe核，支持PCIe传输协议，实现从PCIe高速接口卡到工作站的数据包的发送和接收流程。
整个海洋地震拖缆系统分为两个部分，即水下的拖缆部分和船上工作站记录部分。水下拖缆中的数字包采集到实时数据，通过电缆进行传输，然后经过拖缆前段光电转换部分转化为光信号。
图2为的实际工作过程中，PCIe高速接口卡数据传输流程示意图。如图所示，拖缆的上行光纤部分直接与PCIe高速接口卡的FMC子板上的SFP+接口相连。
按照传输流程，将PCIe高速接口卡分为四个部分，数据接收模块，数据处理模块，数据缓存模块，数据传输模块。
数据接收模块，由FMC子板部分组成，接收上行光纤传输的拖缆数据。FMC子板上的SFP+光纤模块接口为接收端，接收到拖缆数据后，将光信号转化为电信号。FMC接口将子板的I/0接口与FPGA上的引脚直接连接在一起，接收到的拖缆数据会直接传输至载板FPGA上。
数据处理模块，由FPGA内部逻辑资源组成，对数据进行初步处理。FPGA内部的数据处理模块按照8/sec的比例抽取实时显示数据，获得地震数据和关于拖缆状态的数据，并且对地震数据进行时序转道序的操作，得出地震数据存储地址。
数据缓存模块，由DDR3控制器和DDR3存储器组成，缓存处理后的地震数据FPGA内部逻辑控制发送命令到DDR3控制器，对DDR3存储器进行读写操作，将处理后的地震数据按照道序地址存储至其中。这个过程不需要进行数据交换，不同接口传输来的数据，会分别存到DDR3存储器内部的独立存储空间。
数据传输模块，由DMA控制器和PCIe核部分组成，与工作站之间通信。数据存储完毕，FPGA内部的DMA控制器向工作站CPU发送命令，发起大容量数据传输请求。工作站响应请求后，PCIe核根据PCIe总线传输协议对地震数据流进行打包发送等操作，随后通过PCIe接口将数据传输至工作站上的内存中。
工作站接收到数据后，将大容量数据写进磁带机，记录并存储地震数据。
以上就是PCIe高速接口卡在海洋地震拖缆系统工作过程中高速传输并处理数据的全部流程。
PCIe总线为全双工模式总线，可以支持数据同时双向传输，从工作站发送下行系统控制命令的过程，与上述数据传输的流程互为逆过程。因此如果对FPGA内部的逻辑加以编写，不仅可以完成从拖缆到工作站的数据传输，还能完成从工作站到另一端设备的高速数据传输。
PCIe高速接口卡采用了FMC标准，因此更换FMC子板就能实现更加丰富的功能。
在整个拖缆系统数量较少的情况下，可以在不使用FMC子卡的情况下，直接采用载板上的SFP+接口传输地震数据。在实际拖缆系统工作条件支持的情况下，只需要更换SFP+接口数目更多的FMC子板，就可以支持更多拖缆数量。
应用到其他不同类型的地震拖缆系统的时候，可以根据系统采用的接口类型，更换搭载其他接口的FMC子板就可以实现高速数据传输的功能。或者根据可以系统实际需求，使用一些功能性子板，完成数据采集等功能。
由此可见，本发明是一种具有通用性的高速数据传输接口卡，可以取代原系统采用的CPCI机箱加FCI板的传输模式，降低成本的同时，提高了系统的数据传输速度和集成度。而且应用范围不仅限于海洋地震拖缆勘探系统，在其他拖缆系统中可以适用，在地球物理勘探领域将有极为广泛的应用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。因此凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：包括FMC子板和FMC载板，FMC子板包括SFP+接口、FMC接口，FMC载板部分包括DDR3存储器，FPGA配置电路，FPGA，PCIe接口，电源模块，SFP+接口；其中FPGA实现整个数据传输流程的控制以及数据处理等功能，内部包括数据处理模块、DDR3控制器、DMA控制器和PCIe核；
SFP+接口，光纤模块接口，接收拖缆系统上行光纤传输的数据；
FMC接口，连接FMC子板和FMC载板两个部分，将接收的拖缆数据传输到载板FPGA；
DDR3存储器，高读写速度的大容量存储器，缓存处理过的地震数据；
FPGA配置电路，用于系统上电时，加载FPGA配置数据；
FPGA，与其他功能模块之间进行交互，控制整个数据传输流程，对拖缆数据进行初步处理；
PCIe接口，PCIe总线的物理接口，与工作站相连，进行数据传输；
电源模块，为整个PCIe高速接口卡的FPGA、DDR3存储器、FPGA配置电路、FMC子板等几个功能模块提供电压，保证整个系统稳定工作；
SFP+接口，作为载板上的预留的光纤模块接口，用于拖缆数量较少情况下的数据传输；
数据处理模块，对接收到的拖缆数据按照8/sec的比例进行抽取，然后完成时序转道序操作；
DDR3控制器，控制DDR3存储器缓存地震数据，并且与DMA控制器之间进行交互；
DMA控制器，在无需工作站CPU参与的情况下进行大容量数据交换，将载板上DDR3存储器中的缓存数据转移到工作站内存；
PCIe核，支持PCIe传输协议，实现从PCIe高速接口卡到工作站的数据包的发送和接收流程。
水下拖缆中的数字包采集到实时数据，拖缆的上行光纤部分直接与PCIe高速接口卡的FMC子板上的SFP+接口相连；
FMC子板上的SFP+光纤模块接口为接收端，接收到拖缆数据后，将光信号转化为电信号，FMC接口将子板的I/0接口与FPGA上的引脚直接连接在一起，接收到的拖缆数据会直接传输至载板FPGA上；
FPGA内部的数据处理模块按照8/sec的比例抽取实时显示数据，获得地震数据和关于拖缆状态的数据，并且对地震数据进行时序转道序的操作，得出地震数据存储地址；
FPGA内部逻辑控制发送命令到DDR3控制器，对DDR3存储器进行读写操作，将处理后的地震数据按照道序地址存储至其中，这个过程不需要进行数据交换，不同接口传输来的数据，会分别存到DDR3存储器内部的独立存储空间；
随后DMA控制器向工作站CPU发送命令，发起大容量数据传输请求，PCIe核根据PCIe总线传输协议对数据流进行打包传送，通过PCIe接口将数据传输至工作站上的存储内存中。
2.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：所述接口卡与工作站之间使用PCIe 2.0x8的总线接口通讯，传输协议采用8bit/10bit编码方式，支持的最高数据传输速率可达到4GB/s。
3.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：接口卡采用了FMC设计标准，FMC子卡为可更换部分，应用到类似的拖缆系统时候，能够根据实际需求的接口数目和类型选择合适的类型。
4.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：所述FMC子板采用SFP+接口作为光纤接收模块，最高可支持10Gb/s的数据传输速率。
5.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：所述FMC载板上采用Xilinx的Kintex-7系列的FPGA。
6.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：所述FMC载板FPGA对拖缆数据进行了数据抽取和时序转道序的初步处理。
7.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：对于FPGA内部的逻辑进行改进，可以实现系统两边数据流的双向高速传输。
8.根据权利要求1所述的一种应用于海洋地震勘探拖缆系统的高速数据传输通用接口卡，其特征在于：所述接口卡取代了原来的CPCI机箱加FCI板的模式，降低了成本，提高了海洋地震拖缆系统的集成度。
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